一种仿螺壳层状结构的纤维金属树脂基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种仿螺壳层状结构的纤维金属树脂基复合材料及其制备方法。该复合材料具有仿螺壳层状结构，包括多层纤维堆叠而成的纤维层骨架结构、分布在纤维上的纳米金属或金属氧化物颗粒和填充环氧树脂。其中纤维构成交织网络结构骨架，环氧树脂进行粘接填充，纳米金属或金属氧化物颗粒增强韧性和强度，形成仿螺壳层状结构的轻型强韧复合材料。本发明专利技术提供的制备方法，使得纳米金属或金属氧化物颗粒材料能够在纤维树脂材料中有序分布，且工艺简单，便于操作，制备的材料重量轻，强韧性好。实验结果表明，本发明专利技术制备的仿螺壳层状结构的纤维金属树脂基复合材料的三点弯曲强度最高达到1365MPa，模量达到39.4GPa。

A Fiber-Metal-Resin Matrix Composite Material Imitating Layered Structure of Spiral Shell and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种仿螺壳层状结构的纤维金属树脂基复合材料及其制备方法
本专利技术涉及仿生结构的轻型强韧材料
，具体涉及一种仿螺壳层状结构的纤维金属树脂基复合材料及其制备方法。
技术介绍
纤维增强树脂基复合材料具有高比强、高比刚度、耐腐蚀、强度可设计、结构稳定性好，以及便于大面积整体成型等优点。在航天航空等众多领域有着广泛额应用。但是这种纤维增强树脂基复合材料存在一些问题，当纤维增多时，韧性变差，使用寿命降低，还存在纤维在树脂分布不均等问题。仿生结构制备的纤维树脂复合材料较普通结构的纤维树脂复合材料具有更多的力的偏转，纤维拔出，更大的断裂功，在不改变原材料的情况下，能够显著提高材料的强度和韧性。其中贝壳珍珠层由于其独特的结构、极高的强度和良好的韧性而受到广泛的关注，已成为制备轻质高强超韧性层状复合材料的模型结构。但是目前仿贝壳结构的材料中，多数采用层层自组装，旋涂法，等离子喷涂等方法制备得到的，由于操作条件较复杂，不适用大规模制备，制备的也大多为薄膜，在使用方面不够广泛因而受限。其强度和韧性无法满足当前特种材料以及一些航空航天和建筑建材上的材料要求。因此，寻找韧强性更好的仿贝壳结构的的纤维增强复合材料及更简单高效的制备方法，无论在科学研究上还是在工业推广应用上都显得尤为重要，这也成为本领域前瞻性的研究人员广泛关注的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种仿螺壳层状结构的纤维金属树脂基复合材料及其制备方法。该材料韧性和强度高，重量轻，该制备方法工艺简单，得到的复合材料中纳米金属或金属氧化物颗粒在纤维上排列有序。为了解决上述技术问题，提供以下技术方案：提供一种仿螺壳层状结构的纤维金属树脂基复合材料，其具有仿螺壳层状结构，包括多层纤维堆叠而成的纤维层骨架结构、分布在纤维上的纳米金属或金属氧化物颗粒和填充环氧树脂，其中纤维层骨架结构中相邻两层纤维的纤维方向相互垂直，每层纤维为单层结构、纤维排布方向单一且可导电；纳米金属或金属氧化物颗粒沿着纤维方向均匀、有序分布在每层纤维上；环氧树脂填充在每层纤维的空隙及纤维层骨架结构的各层纤维之间的空隙中。按上述方案，各组分的质量百分数为：纤维50-60％，纳米金属或金属氧化物颗粒0.1-1％，环氧树脂39-49％。按上述方案，纳米金属为Al、Ag、Ni或Mo中的一种；纳米金属氧化物为Al、Ag、Ni或Mo的氧化物中的一种。按上述方案，纤维为碳纤维、金属镀层纤维、导电性树脂涂层纤维、导电性树脂复合纤维中的至少一种。按上述方案，环氧树脂优选与纤维在化学配合上匹配的环氧树脂，所述的相匹配包括浸润性的匹配、断裂延伸率的匹配、界面的匹配等，比如纤维为碳纤维，环氧树脂可优选为4211环氧树脂。按上述方案，纤维叠加层数为2-100层。按上述方案，仿螺壳层状结构的纤维金属树脂基复合材料的厚度为2mm-100mm。一种上述仿螺壳层状结构的纤维金属树脂基复合材料的制备方法，具体步骤如下：(1)利用真空辅助树脂填充技术将具有单层结构、纤维排布方向单一且可导电的纤维材料进行浸润环氧树脂，得到纤维/树脂薄膜；(2)电泳沉积纳米金属或金属氧化物颗粒到步骤(1)得到的纤维/环氧树脂薄膜的纤维表面，得到金属/纤维/树脂复合薄膜；(3)将步骤(2)得到的金属/纤维/树脂复合薄膜裁剪成至少两片；(4)将步骤(3)得到的裁剪后的金属/纤维/树脂复合薄膜进行层层堆叠，其中相邻两层的纤维方向相互垂直；然后再进行真空辅助树脂填充技术填充环氧树脂成型，即得仿螺壳层状结构的纤维金属树脂基复合材料。按上述方案，步骤(2)中的电泳沉积条件为：纤维/树脂薄膜为阴极，金属工件为阳极，阴阳极放置在0.1-1mol/L纳米金属或金属氧化物颗粒的分散液中，在40-100V恒定电位下沉积2-5min。按上述方案，步骤(2)中的纳米金属为Al、Ag、Ni或Mo中的一种；纳米金属氧化物为Al、Ag、Ni或Mo的氧化物中的一种，其中所述纳米金属或金属氧化物按质量比计为所述纤维/树脂薄膜的0.5-5％。按上述方案，步骤(3)中金属/纤维/树脂复合薄膜裁剪成相同大小的正方形，其中正方形的边长为1-100cm。按上述方案，步骤(1)和步骤(4)中的真空辅助树脂填充技术的条件为：压强为5-100MPa，时间为12-48h。按上述方案，步骤(1)中得到的纤维/树脂薄膜，厚度尺寸为0.1mm-0.2mm。按上述方案，步骤(2)中得到的金属/纤维/树脂复合薄膜，厚度尺寸为0.5mm-1mm。按上述方案，步骤(4)中堆叠层数为2-100层。本专利技术提供的仿螺壳层状结构的纤维金属树脂基复合材料，其具有仿螺壳层状结构，包括多层纤维堆叠而成的纤维层骨架结构、分布在纤维上的纳米金属或金属氧化物颗粒和填充环氧树脂。纤维层骨架结构、纳米金属或金属氧化物颗粒和环氧树脂相互协同，提升复合材料的强韧性。纳米金属或金属氧化物颗粒作为增强相加入纤维树脂复合材中产生两种强化：共格强化和弥散强化。当物体受到外力作用而产生形变时候，也就会在内部产生位错，而要想进一步形变，就需要位错的移动。纳米金属或金属氧化物颗粒加入后使得周围的晶体产生晶格畸变，进而产生应力场阻碍位错。随着形变发生，位错移动至纳米金属或金属氧化物颗粒上会产生位错环，相互阻碍，对位错阻力增加。纳米金属或金属氧化物颗粒的加入，通过增强位错阻力，从而增加了材料本身的韧性和强度。同时纤维作为骨架，环氧树脂粘接在纤维上，当受到外力作用而变形时，就会发生纤维与环氧树脂的分离。利用纤维的拔出，桥联等作用使得纤维在树脂中移动所需力增大，与环氧树脂更难分离，进而增加材料的强度和韧性。纳米金属或金属氧化物沉积在纤维表面，当发生纤维的脱粘，拔出，桥联等作用时，纤维与环氧树脂分离不仅要受到来自环氧树脂的力还要受到纳米金属或金属氧化物颗粒周围应力场的应力，即使得纤维分离破坏所需的能量更大，使得其强度和韧性进一步增加。而纤维的加入使得纳米金属或金属氧化物颗粒周围的晶格畸变更加复杂，产生的更多的应力场来阻碍位错。两者的相互协同作用，更大程度的提升了仿螺壳层状结构的纤维金属树脂基复合材料的强度和韧性。本专利技术的有益效果在于：1.本专利技术的仿螺壳层状结构的纤维金属树脂基复合材料是一种基于仿生结构的轻型强韧材料，强度和韧性高，重量轻。其中仿螺壳层状结构的纤维，可提升复合材料的强度和韧性，而金属纳米颗粒的加入可进一步的增强复合材料的韧性和强度，且对复合材料重量的增幅比较小，可得到质量轻、强韧性高的复合材料。其三点弯曲强度最高达到1365MPa，模量达到39.4GPa。2.本专利技术提供的仿螺壳层状结构的纤维金属树脂基复合材料的制备方法简单，反应条件易控，原料易得，具有潜在的应用前景。本专利技术通过真空辅助树脂填充技术(VARTM)，在纤维缝隙处填充了环氧树脂，利用纤维导电、环氧树脂不导电的特性，通过电泳沉积技术使得纳米金属或金属氧化物颗粒在纤维/树脂薄膜的表面沿着纤维方向进行沉积，排列整齐，有序分布，且厚度可调。附图说明图1为黑星宝螺(TigerCowrie)壳的三点弯曲断裂面的扫描电镜谱图，其中a、b、c、d分别为不同位置的纤维文石片排列；图2为实施例1制备得到的纳米氧化铝/碳纤维/环氧树脂复合薄膜的表面扫描电镜图，其中a、b、c、d分别为电泳沉积1min、2min本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿螺壳层状结构的纤维金属树脂基复合材料，其特征在于，其具有仿螺壳层状结构，包括多层纤维堆叠而成的纤维层骨架结构、分布在纤维上的纳米金属或金属氧化物颗粒和填充环氧树脂，所述纤维层骨架结构中相邻两层纤维的纤维方向相互垂直，每层纤维为单层结构、纤维排布方向单一且可导电；所述纳米金属或金属氧化物颗粒沿着纤维方向均匀、有序分布在每层纤维上；所述环氧树脂填充在每层纤维的空隙及纤维层骨架结构的各层纤维之间的空隙中。

【技术特征摘要】
1.一种仿螺壳层状结构的纤维金属树脂基复合材料，其特征在于，其具有仿螺壳层状结构，包括多层纤维堆叠而成的纤维层骨架结构、分布在纤维上的纳米金属或金属氧化物颗粒和填充环氧树脂，所述纤维层骨架结构中相邻两层纤维的纤维方向相互垂直，每层纤维为单层结构、纤维排布方向单一且可导电；所述纳米金属或金属氧化物颗粒沿着纤维方向均匀、有序分布在每层纤维上；所述环氧树脂填充在每层纤维的空隙及纤维层骨架结构的各层纤维之间的空隙中。2.根据权利要求1所述的纤维金属树脂基复合材料，其特征在于，各组分的质量百分数为：所述纤维50-60％，所述纳米金属或金属氧化物颗粒0.1-1％，所述环氧树脂39-49％。3.根据权利要求1所述的纤维金属树脂基复合材料，其特征在于，所述纳米金属为Al、Ag、Ni或Mo中的一种，所述纳米金属氧化物为Al、Ag、Ni或Mo的氧化物中的一种；所述纤维为碳纤维、金属镀层纤维、导电性树脂涂层纤维、导电性树脂复合纤维中的至少一种。4.根据权利要求3所述的纤维金属树脂基复合材料，其特征在于，所述纤维为碳纤维，所述环氧树脂为4211环氧树脂。5.根据权利要求1所述的纤维金属树脂基复合材料，其特征在于，所述纤维堆叠层数为2-100层；所述仿螺壳层状结构的纤维金属树脂基复合材料的厚度为2-100mm。6.一种权利要求1所述的仿螺壳层状结构的纤维金属树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)利用真空辅助树脂填充技术将具有单层结构、纤维排布方向单一且可导电的纤维材料进行浸润...

【专利技术属性】
技术研发人员：程旭东，李澄，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42